۱۰ حقیقت علمی غیر قابل باور درباره سیاه‌چاله‌ها

سیاه‌چاله‌ها تنها اجرام سماوی هستند که قادرند با نیروی گرانشی عظیم خود حتی نور را نیز به دام بیندازند. دانشمندان عقیده دارند هنگامی که عمر یک ستاره‌ی فوق سنگین به پایان می‌رسد و به علت نبود نیروی هسته‌ای، توسط وزن خودش در خود فرو می‌ریزد، چگالی آن به قدری بالا می‌رود که ساختار فضا زمان را دستخوش تغییر می‌کند.

هر چیزی که از «افق رویداد» سیاه‌چاله‌ها بگذرد، مسیری مارپیچی را به ناکجا طی خواهد کرد و دیگر خبری از آن نخواهد شد. علیرغم دهه‌ها تحقیق پیرامون این اجرام غول آسای سماوی، ماهیت آن‌ها همچنان در هاله‌ای از ابهام و راز پیچیده شده است.

در ادامه به ۱۰ مورد از حقایق علمی باورنکردنی درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها اشاره خواهیم کرد.

بسیاری از افراد بر این باور هستند که سیاه‌چاله‌ها مانند یک سوراخ عظیم در فضا همه چیز را به درون خود می‌مکند. این در حالی است که در واقعیت سیاه‌چاله‌ها نیز مانند سیارات و ستاره‌ها «اجرامی آسمانی» هستند؛ با این تفاوت که میدان گرانشی آن‌ها به مراتب قوی‌تر است.

اگر در مرکز منظومه‌ی شمسی به جای خورشید یک سیاه‌چاله با جرمی برابر قرار دهید، زمین و دیگر سیارات به درون آن کشیده نخواهند شد، بلکه مانند گذشته به گردش خود پیرامون مرکز منظومه ادامه خواهند داد.

هرچند تئوری نسبیت اینشتین وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی می‌کند، اما او برای اولین بار وجود سیاه‌چاله‌ها را کشف نکرد؛ بلکه این «کارل شوارتزشیلد» بود که برای اولین بار با استفاده از معادلات نظریه‌ی انقلابی اینشتین نشان داد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند از لحاظ نظری وجود داشته باشند.

او در همان سال انتشار نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین (۱۹۱۵) این موضوع را نشان داد. اصطلاح «شعاع شوارتزشیلد» نیز با توجه به دستاوردهای این فیزیکدان آلمانی، برای اشاره به حداقل میزان فشرده سازی یک جسم برای تولید سیاه‌چاله، استفاده می‌شود.

قبل از این دو نیز «جان میشل»، دانشمند انگیسی، وجود «ستاره‌های سیاه» را پیش بینی کرده بود؛ ستاره‌هایی که با توجه به جرم زیادشان، حتی نور نیز قادر به گریز از میدان گرانشی آن‌ها نخواهد بود.

جالب است بدانید اصطلاح «سیاه‌چاله» برای اولین بار در سال ۱۹۶۷ استفاده شد.

سیاه‌چاله‌ها قادر هستند شما را به شکل یک رشته‌ی اسپاگتی در بیاورند. این پدیده به طرز جالبی به «اسپاگتی‌فیکِیشن» مشهور است! (عبارت spaghettification را جستجو کنید.)

طرز کار این پدیده به رفتار گرانش در فواصل مختلف ربط دارد. مثلاً همین حالا احتمالاً پاهای شما به مرکز سیاره‌ی زمین نزدیک‌تر است و بنابراین پاهای شما تحت تاثیر نیروی گرانشی بیشتری نسبت به سر و گردن شما قرار دارند. هرچند این تفاوت گرانش در ارتفاع‌های مختلف در زمین بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است، اما در میدان‌های قوی گرانشی مانند نزدیکی سیاه‌چاله‌ها، این تفاوت گرانش بسیار چشمگیر است؛ بطوریکه اگر قسمتی از بدن شما حتی یک سانتی‌متر به مرکز سیاه‌چاله نزدیک‌تر باشد، تحت تاثیر نیروی گرانش به مراتب شدیدتری قرار می‌گیرد و در نتیجه سرعت آن نسبت به قسمت‌ها بالایی بدن‌تان افزایش پیدا می‌کند. نتیجه این تفاوت گرانش و سرعت «اسپاگتی‌فیکیشن» است.

شاید با توجه به این نکته که تا کنون وجود هیچ جهان دیگری به جز همین جهان هستی که می‌شناسیم به اثبات نرسیده است، این ایده که سیاه‌چاله‌ها بتوانند میزبان جهان‌های جدیدی در درون خود باشند کمی احمقانه به نظر برسد؛ اما جالب است بدانید نظریات پشت این ایده امروزه یکی از موضوعات داغ تحقیقاتی دانشمندان است.

نسخه‌ی بسیار ساده شده‌ای از توضیح این نظریه به این صورت است:

جهانی که ما می‌شناسیم، ناشی از قوانین و تعدادی ثوابت فیزیکی (مانند ثابت جهانی گرانش، بار الکترون، ثابت پلانک، سرعت نور و ...) است؛ بطوریکه اگر مقدار هر کدام از این ثوابت حتی به میزان بسیار اندکی متفاوت بود، دنیایی که امروزه می‌شناسیم، ما انسان‌ها و حیات به شکل فعلی دیگر وجود نداشتند.

تکینگی گرانشی در مرکز سیاه‌چاله‌ها، قوانین فیزیکی که می‌شناسیم را دستخوش تغییر می‌کند و این امر می‌تواند به صورت نظری باعث به وجود آمدن جهان‌های متفاوت شود.

فضا را مانند یک صفحه‌ی پلاستیکی که طرح «چهارخانه» بر روی آن نقاشی شده باشد در نظر بگیرید. اگر توپی را در مسیر مستقیم و در امتداد یکی از خط‌های این طرح چهارخانه بغلتانید، این توپ به مسیر مستقیم خود در امتداد همان خط ادامه خواهد داد.

حال اگر جسمی سنگین را بر روی این صفحه‌ی پلاستیکی قرار دهید، مقداری فرورفتگی در آن ایجاد می‌شود. این فرورفتگی باعث می‌شود که خط‌های طرح چهارخانه دیگر مستقیم نباشند و به شکل منحنی دربیایند. هرچه جرم جسمی که بر روی این ورق پلاستیکی قرار می‌دهید بیشتر باشد، فرورفتگی آن نیز عمیق‌تر خواهد بود. حال فرض کنید توپی را در این صفحه به غلتش در می‌آورید. اگر توپ از نزدیکی اعوجاج ناشی از جسم سنگین عبور کند، از مسیر مستقیم خود منحرف خواهد شد.

سیارات و ستاره‌ها نیز در فضا مانند اجرام سنگین بر روی صفحه، بافت فضا-زمان را دچار خمیدگی می‌کنند. خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم بالای سیاه‌چاله‌ها به قدری زیاد است که حتی نور هم در صورت عبور از نزدیکی آن دیگر نمی‌تواند به مسیر مستقیم خود ادامه دهد.

سیاه‌چاله‌ها در تولید انرژی حتی از خورشید و دیگر ستاره‌ها نیز بسیار بهینه‌تر عمل می‌کنند.

تولید انرژی در سیاه‌چاله‌ها توسط حلقه‌ای از مواد که پیرامون آن در گردش هستند صورت می‌گیرد. موادی که در لبه‌ی درونی حلقه و در نزدیکی «افق رویداد» سیاه‌چاله قرار دارند، با سرعت بسیار زیادتری نسبت به موادی که در لبه‌ی خارجی حلقه در حال چرخش هستند، حرکت می‌کنند.

سرعت بسیار بالای مواد در حال گردش به دور سیاه‌چاله، دمای آن‌ها را تا میلیاردها درجه‌ی سلسیوس بالا می‌برد. در این دمای بالا، جرم به صورت «تابش جسم سیاه» به انرژی تبدیل می‌شود.

برای مقایسه، در فرآیند همجوشی هسته‌ای تنها ۰.۷ درصد از جرم به انرژی تبدیل می‌شود؛ اما شرایط اطراف سیاه‌چاله باعث می‌شود تا ۱۰ درصد جرم به انرژی تبدیل شود.

دانشمندان حتی پیشنهاد کرده‌اند تا از این نوع انرژی برای تامین نیروی رانش سفینه‌های فضایی آینده استفاده شود.

دانشمندان عقیده دارند که یک سیاه‌چاله‌ی فوق سنگین در مرکز تقریباً تمامی کهکشان‌ها، از جمله کهکشان خود ما وجود دارد. این سیاه‌چاله‌ها در واقع مانند یک لنگر باعث می‌شوند تا اجرام موجود در کهکشان‌ها کنار هم باقی بمانند و کهکشان از هم پاشیده نشود.

سیاه‌چاله‌ی مرکز کهکشان راه شیری با نام کمان اِی* (بخوانید کمان اِی ستاره) بیشتر از ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد. اگرچه این سیاه‌چاله با فاصله‌ی ۳۰ هزارسال نوری از ما در حال حاضر بسیار کم فروغ است، اما دانشمندان عقیده دارند که دو میلیون سال پیش چنان انفجار عظیمی در آن رخ داده است که نور حاصل از آن حتی از زمین نیز قابل رویت بوده است.

برای درک بهتر این موضوع به «آزمایش ذهنی دوقلوها»فکر کنید. از این آزمایش معمولاً برای درک بهتر فضا-زمان و رابطه‌ی آن‌ها در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین استفاده می‌شود.

فرض کنید یکی از دوقلوها بر روی زمین باقی بماند و دیگری با سرعت نور به سفر در فضا بپردازد. هنگام بازگشت به خانه، آن کسی که مشغول سفر در فضا با سرعت نور بوده است به شدت جوان‌تر از دیگری خواهد بود، چرا که هرچه با سرعت بیشتری حرکت کنید، زمان برای شما کند‌تر خواهد گذشت.

در مورد سیاه‌چاله‌ها نیز این موضوع صادق است. هرچه به افق رویداد یک سیاه‌چاله نزدیک‌تر باشید، سرعت شما بیشتر خواهد شد و در نتیجه زمان برای شما کند‌تر سپری خواهد شد.

این حقیقت نه تنها در مورد سیاه‌چاله‌ها، بلکه در مورد تمامی میدان‌های گرانشی صادق است. حقیقت این است که حتی در سیاره‌ی خودمان هم هرچه به مرکز گرانش نزدیک‌تر باشید، زمان برای شما کند‌تر خواهد گذشت.

دانشمندان در سال ۲۰۱۰ با استفاده از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی ثابت کردند که زمان حتی بر روی زمین هم در ارتفاع‌های مختلف با سرعت متفاوتی سپری می‌شود. این یعنی در یک ساختمان چند طبقه، افرادی که در طبقات پایین‌تر زندگی می‌کنند، نسبت به افراد طبقات بالایی دیرتر پیر می‌شوند. حتی بیان جالب‌تر این موضوع می‌تواند به این صورت باشد:

«افرادی که در ارتفاع‌ها پایین‌تری بر روی زمین زندگی می‌کنند، در واقع در حال سفر در زمان به سمت آینده هستند.»

اما با توجه به گرانش ضعیف زمین، این اختلاف زمان بسیار ناچیز خواهد بود. در واقع اگر به مدت ۷۹ سال در یک طبقه‌ی پایین‌تر نسبت به برادر دوقلوی خود زندگی کنید، در نهایت ۹۰ میلیاردم ثانیه نسبت بود او جوان‌تر خواهید بود؛ یا به بیان دیگر، بعد از گذشت ۷۹ سال، به میزان ۹۰ میلیاردم ثانیه در زمان به آینده سفر کرده‌اید!

اگر فیلم «بین ستاره‌ای» (Interstellar) را دیده باشید، حتماً می‌دانید که این شرایط در نزدیکی سیاه‌چاله‌ها چقدر متفاوت است!

این کشف شگفت انگیز اولین بار توسط استیون هاوکینگ در سال ۱۹۷۴ پیشنهاد شد. در این پدیده که با نام «تابش هاوکینگ» مشهور است، جرم یک سیاه‌چاله در طول زمان به فضا پراکنده می‌شود و این فرآیند آنقدر ادامه پیدا می‌کند تا اینکه سیاه‌چاله تمام جرم خود را از دست بدهد و عملاً نابود شود. برای همین است که این پدیده به تبخیر سیاه‌چاله نیز مشهور است.

تنها تفاوت یک سیاه‌چاله با خورشید ما در این است که سیاه‌چاله بسیار متراکم‌تر و چگال‌تر است. این تراکم و چگالی بالا باعث می‌شود تا نیروی گرانش آن به حدی قوی باشد که همه چیز، حتی نور را نیز به دام بیندازد. برای همین است که نمی‌توانیم سیاه‌چاله‌ها را ببینیم و این نام را بر روی آن‌ها گذاشته‌ایم.

اگر خورشید را نیز آنقدر فشرده کنید که قطر آن به ۶ کیلومتر برسد، آنگاه یک سیاهچاله خواهید داشت. برای سیاه‌چاله شدن زمین نیز باید تمامی آن را در ابعادی به اندازه‌ی بدن یک انسان بگنجانید. پس به صورت نظری، هر چیزی را (فارق از میزان جرم آن) می‌توان به یک سیاه‌چاله تبدیل کرد، حتی یک توپ فوتبال.

اما در واقعیت تا به حال تنها یک روش برای تولید سیاه‌چاله شناخته شده است:

فروریختن گرانشی یک ستاره درون خودش با جرمی ۲۰ تا ۳۰ برابر جرم خورشید.